具有损伤监测功能的玄武岩纤维复合材料及其制备方法

摘要

能。本发明公开了属于纤维增强复合材料技术领域的具有损伤监测功能的玄武岩纤维复合材料及其制备方法，包括以下步骤：利用熔融共混将氯化钠、导电纳米填料和高密度聚乙烯进行混合，得到导电纳米复合材料；将得到的导电纳米复合材料热压，得到导电纳米复合薄膜；将得到的导电纳米复合薄膜浸泡在去离子水中，裁剪得到多孔结构导电纳米复合薄膜；将得到的多孔结构导电纳米复合薄膜与玄武岩纤维单向预浸带铺层，热压得到玄武岩纤维复合材料；本发明通

权利要求

1.具有损伤监测功能的玄武岩纤维复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、利用熔融共混将氯化钠、导电纳米填料和高密度聚乙烯进行混合，得到导电纳米复合材料；

S2、将S1得到的导电纳米复合材料热压，得到导电纳米复合薄膜；

S3、将S2得到的导电纳米复合薄膜浸泡在去离子水中，裁剪得到多孔结构导电纳米复合薄膜；

S4、将S3得到的多孔结构导电纳米复合薄膜与由玄武岩纤维织物和高密度聚乙烯组成的玄武岩纤维单向预浸带铺层，热压得到玄武岩纤维复合材料；

S5、对S4得到的玄武岩纤维复合材料使用导电银胶安装电极。

2.根据权利要求1所述的具有损伤监测功能的玄武岩纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中的熔融共混为高密度聚乙烯首先在40rpm下共混3min，随后加入导电纳米填料在80rpm下共混6min，最后加入氯化钠在80rpm下共混3min。

3.根据权利要求2所述的具有损伤监测功能的玄武岩纤维复合材料的制备方法，其特征在于，高密度聚乙烯、导电纳米填料、氯化钠的熔融共混温度分别为180℃、200℃、200℃。

4.根据权利要求1所述的具有损伤监测功能的玄武岩纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中的氯化钠、导电纳米填料和高密度聚乙烯的质量比为4：1：15；所述导电纳米填料为炭黑、碳纳米管和石墨烯的混合物，其质量比为5：3：2。

5.根据权利要求1所述的具有损伤监测功能的玄武岩纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中的热压温度为200℃，压力为5‑10MPa，时间为60‑90min；所述导电纳米复合薄膜厚度为10‑25μm。

6.根据权利要求1所述的具有损伤监测功能的玄武岩纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中的浸泡时间为24h；所述多孔结构导电纳米复合薄膜的尺寸为150mm×150mm；所述孔的直径为5‑200μm。

7.根据权利要求1所述的具有损伤监测功能的玄武岩纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中的玄武岩纤维单向预浸带中玄武岩纤维的质量分数为60%‑70%，所述预浸带的尺寸为150mm×150mm。

8.根据权利要求1所述的具有损伤监测功能的玄武岩纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中玄武岩纤维单向预浸带的数量为24片，每6片的铺层角度依次分别为

15°、30°、45°、60°、75°和90°；所述步骤S4中的铺层方式为多孔结构导电纳米复合薄膜嵌入在铺层角度为90°预浸带和15°预浸带之间，嵌入数量为3片。

9.根据权利要求1所述的具有损伤监测功能的玄武岩纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S5中电极的安装位置为垂直于纤维平面方向的玄武岩纤维复合材料两端；所述导电银胶平铺在电极的安装位置，厚度为50‑100μm。

10.具有损伤监测功能的玄武岩纤维复合材料，其特征在于：根据权利要求1‑9任一所述的具有损伤监测功能的玄武岩纤维复合材料的制备方法制备得到。

说明书

具有损伤监测功能的玄武岩纤维复合材料及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种具有损伤监测功能的玄武岩纤维复合材料及其制备方法，属于纤维增强复合材料技术领域。

背景技术

[0002] 由于高强度质量比、低密度和优良的力学性能，纤维复合材料被广泛应用于航空航天、运动、能源、汽车工业、土木建筑等领域。兼具高性能和功能性的纤维复合材料在其服役期间对承载能力、自身损伤的感知以及对工程安全性的预警所带来的经济效益受到了众多的关注。玄武岩纤维具有比玻璃纤维更高的力学性能，具有比芳纶纤维、碳纤维更高的经济效益，以及更低的废物制造，作为一种绿色无机纤维材料在国内外得到了快速的发展，有望替代其他纤维成为纤维复合材料的主力军。

[0003] 目前，赋予玄武岩纤维复合材料损伤监测功能主要有以下三种方式，一种是引入导电纳米填料到基体中，一种是在纤维表面沉积导电纳米填料，一种是在玄武岩纤维复合材料中嵌入功能性复合薄膜。对于引入导电纳米填料到基体中的这一方式，实质上是在基体中构建监测损伤的导电网络结构，由于导电网络需要遍布基体，因此其中的导电纳米填料是高含量的，这样会在加工过程中增大基体粘度，提高复合材料的加工难度；并且，导电纳米填料容易在基体中出现团聚的现象，影响复合材料整体的性能。而在纤维表面沉积导电纳米填料则涉及到众多复杂的操作和危险化学试剂的使用，这显然不利于工业化的实现，对人体或者环境也都是不友好的。而在玄武岩纤维复合材料中嵌入功能性复合薄膜相对于其他两种方法是简单易行的，对于实现其大规模的生产和制备是有利的。

[0004] 然而，由于嵌入的功能性复合薄膜的热、力学性能与宿主复合材料不匹配以及功能性复合薄膜在界面处的易断特性，嵌入功能性复合薄膜容易在嵌入位置引入人工缺陷，导致界面处的高应力集中发展，这些将导致复合材料的完整性和力学性能下降。对于上述挑战，我们提出一种在玄武岩纤维复合材料中嵌入多孔结构的导电纳米复合薄膜，利用复合薄膜的多孔加大基体在加工时对薄膜的渗透，减少薄膜与玄武岩纤维复合材料之间的孔隙；并且采用与玄武岩纤维复合材料相同的基体作为多孔结构导电纳米复合薄膜的基体，降低其与玄武岩纤维复合材料之间的不匹配；另外，将多孔结构导电纳米复合薄膜嵌入到玄武岩纤维复合材料中实现对其损伤的监测功能。相比较于其他功能纤维复合材料的制备方法，本发明提出的方法具有操作简单、经济效益高、快速制备等特点。

发明内容

[0005] 本发明主要是克服现有技术中的不足之处，提出一种具有损伤监测功能的玄武岩纤维复合材料及其制备方法，该方法制备的玄武岩纤维复合材料在不牺牲力学性能的基础上实现了复合材料沿着纤维平面方向的电性能的提升，同时具备着复合材料的损伤监测的功能。

[0006] 本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：具有损伤监测功能的玄武岩纤维复合材料及其制备方法，包括以下步骤：

[0007] S1、利用熔融共混将氯化钠、导电纳米填料和高密度聚乙烯进行混合，得到导电纳米复合材料；

[0008] S2、将S1得到的导电纳米复合材料热压，得到导电纳米复合薄膜；

[0009] S3、将S2得到的导电纳米复合薄膜浸泡在去离子水中，裁剪得到多孔结构导电纳米复合薄膜；

[0010] S4、将S3得到的多孔结构导电纳米复合薄膜与由玄武岩纤维织物和高密度聚乙烯组成的玄武岩纤维单向预浸带铺层，热压得到玄武岩纤维复合材料；

[0011] S5、对S4得到的玄武岩纤维复合材料使用导电银胶安装电极。

[0012] 进一步的技术方案是，所述步骤S1中的熔融共混为高密度聚乙烯首先在40rpm下共混3min，随后加入导电纳米填料在80rpm下共混6min，最后加入氯化钠在80rpm下共混3min。

[0013] 其中更进一步的是，高密度聚乙烯、导电纳米填料、氯化钠的熔融共混温度分别为180℃、200℃、200℃。

[0014] 进一步的技术方案是，所述步骤S1中的氯化钠、导电纳米填料和高密度聚乙烯的质量比为4：1：15。

[0015] 其中更进一步的是，所述导电纳米填料为炭黑、碳纳米管和石墨烯的混合物，其质量比为5：3：2。

[0016] 进一步的技术方案是，所述步骤S2中的热压温度为200℃，压力为5‑10MPa，时间为60‑90min。

[0017] 进一步的技术方案是，所述步骤S2中导电纳米复合薄膜厚度为10‑25μm。

[0018] 进一步的技术方案是，所述步骤S3中的浸泡时间为24h。

[0019] 进一步的技术方案是，所述步骤S3中的多孔结构导电纳米复合薄膜的尺寸为150mm×150mm；所述孔的直径为5‑200μm。

[0020] 进一步的技术方案是，所述步骤S4中的玄武岩纤维单向预浸带中玄武岩纤维的质量分数为60%‑70%。

[0021] 其中更进一步的是，所述预浸带的尺寸为150mm×150mm。

[0022] 进一步的技术方案是，所述步骤S4中玄武岩纤维单向预浸带的数量为24片，每6片的铺层角度依次分别为15°、30°、45°、60°、75°和90°。

[0023] 进一步的技术方案是，所述步骤S4中的铺层方式为多孔结构导电纳米复合薄膜嵌入在铺层角度为90°预浸带和15°预浸带之间，嵌入数量为3片。

[0024] 进一步的技术方案是，所述步骤S5中电极的安装位置为垂直于纤维平面方向的玄武岩纤维复合材料两端。

[0025] 进一步的技术方案是，所述导电银胶平铺在电极的安装位置，厚度为50‑100μm。

[0026] 本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种由上述方法制备而成的具有损伤监测功能的玄武岩纤维复合材料。

[0027] 本发明具有以下有益效果：

[0028] （1）本发明通过多孔结构导电纳米复合薄膜与玄武岩纤维单向预浸带集成制备的玄武岩纤维复合材料，其中多孔结构有利于高分子基体对导电纳米复合薄膜的渗透，使嵌入导电纳米复合薄膜的位置进行应力的重新分布，提升导电纳米复合薄膜与玄武岩纤维复合材料的结合强度，从而保证了导电纳米复合薄膜与玄武岩纤维复合材料的整体性，不牺牲玄武岩纤维复合材料的力学性能。

[0029] （2）采用与玄武岩纤维单向预浸带相同的高分子基体材料作为多孔结构导电纳米复合薄膜的高分子基体，在增加其高分子基体对导电纳米复合薄膜渗透的同时弥补了传统嵌入材料与宿主材料失配的劣势；并且通过简单的溶解方法制备多孔结构导电纳米复合薄膜，进一步和玄武岩纤维单向预浸带铺层结合，这样的方式简单易行，可有效地提高玄武岩纤维复合材料的生产效率，降低其生产成本，促使玄武岩纤维复合材料的大规模生产，大大加快玄武岩纤维复合材料的工业化发展。

[0030] （3）本发明在玄武岩纤维复合材料中嵌入多孔结构导电纳米复合薄膜，在玄武岩纤维复合材料层间构建纳米级导电网络结构，使绝缘的玄武岩纤维复合材料在沿着纤维平面方向具有高的电导率；嵌入的多孔结构导电纳米复合薄膜在外界应力的加载下，通过内部导电网络的变形传递电子，将外界应力刺激引起的导电网络变形转化为电信号的输出，并且由于多孔结构的存在，复合材料对电信号变化的识别更加的有效、灵敏。由多孔结构和玄武岩纤维复合材料层间导电网络结构所构成的多尺度传感机制赋予玄武岩纤维复合材料损伤监测的功能。

附图说明

[0031] 图1为本发明的制备流程图；

[0032] 图2为多孔结构导电纳米复合薄膜的扫描电子显微镜图；

[0033] 图3为玄武岩纤维复合材料的力学性能图；

[0034] 图4为玄武岩纤维复合材料沿纤维平面方向的电导率图；

[0035] 图5为玄武岩纤维复合材料的损伤监测测试图；

具体实施方式

[0036] 下面结合实施例和附图对本发明做更进一步的说明。

[0037] 实施例1

[0038] 如图1所示，本发明的具有损伤监测功能的玄武岩纤维复合材料及其制备方法，通过以下步骤制备而成：

[0039] 步骤1：利用熔融共混将高密度聚乙烯在180℃、40rpm下共混3min，随后加入导电纳米填料在200℃、80rpm下共混6min，最后加入氯化钠在200℃、80rpm下共混3min，得到导电纳米复合材料；

[0040] 其中，氯化钠、导电纳米填料和高密度聚乙烯的质量比为4：1：15；导电纳米填料为炭黑、碳纳米管和石墨烯的混合物，其质量比为5：3：2。

[0041] 步骤2：将得到的导电纳米复合材料在温度为200℃，压力为5MPa下热压90min，得到厚度为10μm导电纳米复合薄膜；

[0042] 步骤3：将得到的导电纳米复合薄膜浸泡在去离子水中24h，裁剪得到尺寸为150mm×150mm的多孔结构导电纳米复合薄膜；

[0043] 其中，孔的直径为5‑200μm。

[0044] 步骤4：将得到的多孔结构导电纳米复合薄膜与组分为玄武岩纤维织物和高密度聚乙烯，玄武岩纤维的质量分数为60%‑70%，尺寸为150mm×150mm的玄武岩纤维单向预浸带铺层，热压得到玄武岩纤维复合材料。

[0045] 其中，玄武岩纤维单向预浸带的数量为24片，每6片的铺层角度依次分别为15°、30°、45°、60°、75°和90°；多孔结构导电纳米复合薄膜嵌入在铺层角度为90°预浸带和15°预浸带之间，嵌入数量为3片。

[0046] 步骤5：对得到的玄武岩纤维复合材料使用导电银胶安装电极。

[0047] 其中，电极的安装位置为垂直于纤维平面方向的玄武岩纤维复合材料两端；导电银胶平铺在电极的安装位置，厚度为100μm。

[0048] 将实施例1中步骤1、步骤2和步骤3制备的多孔结构导电纳米复合薄膜进行微观形貌观察，其结果如图2所示。

[0049] 图2揭示了多孔结构导电纳米复合薄膜呈现出孔的直径为5‑200μm的多孔结构。

[0050] 将实施例1制备而成的玄武岩纤维复合材料与无多孔结构导电纳米复合薄膜的玄武岩纤维复合材料（无多孔结构导电纳米复合薄膜的玄武岩纤维复合材料由玄武岩纤维单向预浸带铺层、热压得到的。其中，玄武岩纤维质量分数、预浸带尺寸、数量、铺层角度、热压成型工艺与制备的多孔结构导电纳米复合薄膜的玄武岩纤维复合材料相同。）做弯曲性能测试，其结果如图3所示。

[0051] 图3揭示了多孔结构导电纳米复合薄膜的嵌入不会造成玄武岩纤维复合材料弯曲性能的下降。

[0052] 将实施例1制备而成的玄武岩纤维复合材料与无多孔结构导电纳米复合薄膜的玄武岩纤维复合材料做电性能测试，其结果如图4所示。

[0053] 图4揭示了无多孔结构导电纳米复合薄膜的玄武岩纤维复合材料的电导率为10‑12
S/m，而嵌入多孔结构导电纳米复合薄膜的玄武岩纤维复合材料沿纤维平面方向的电导率‑4
达到了10 S/m，这表明随着多孔结构导电纳米复合薄膜的嵌入，玄武岩纤维复合材料中沿纤维平面方向的电导率有所提升。

[0054] 将实施例1制备而成的玄武岩纤维复合材料做单向弯曲测试，其结果如图5所示。

[0055] 图5揭示了多孔结构导电纳米复合薄膜的玄武岩纤维复合材料的损伤监测功能。随着应变的增加，应力和相对电阻变化随之增加。根据应力‑应变曲线，可将整个过程分为三个阶段：弹性阶段（0‑1.2%）、损伤引发和扩展阶段（1.2‑2.1%）、断裂阶段（2.1‑2.2%）。玄武岩纤维复合材料在每个阶段产生的相对电阻变化是不一样的，表现在相对电阻变化曲线斜率的增加，即灵敏度的增加。

[0056] 应变为0‑1.2%是玄武岩纤维复合材料的弹性阶段，在该阶段玄武岩纤维复合材料呈现出弹性变形，其相对电阻变化同样表现为导电网络的弹性变形，这一阶段的灵敏度GF1为0.45；

[0057] 应变为1.2‑2.1%是玄武岩纤维复合材料的损伤引发和扩展阶段，在此阶段玄武岩纤维复合材料内部开始产生包括高分子基体的微裂纹、基体与纤维脱粘、纤维的拔出、纤维断裂在内的损伤，使导电网络破坏和解构。但在此过程中也存在着重构的导电网络，它们之间的破坏与重构达到动态平衡，其电信号则表现为线性增加，灵敏度GF2为3.20；

[0058] 应变为2.1‑2.2%是玄武岩纤维复合材料的断裂阶段，随着应变的继续增大，损伤扩展到整个玄武岩纤维复合材料，致使导电网络的断连，表现为电信号指数增大至无限，揭示了玄武岩纤维复合材料发生断裂。

[0059] 这些结果展示了实施例1制备而成的玄武岩纤维复合材料具有损伤监测的功能。

[0060] 以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。